液晶物理学_Chapter_2-_LCD显示原理.ppt

Chapter2LCD顯示原理 液晶以分子排列分類 Nematicliquidcrystal線狀液晶 LCD用液晶之主流 排列特點 分子傾向指著某個特定方向 液晶之介電異向性 液晶之介電常數值 越大產生的inducedipole越大 介電異向性 決定LC之轉動 InducedDipole 0 LCbirefringence n定義 n n n n n LC LC n會改變入射光的偏振進而讓LCD產生顯示的效果 E E E 液晶配向之方法 配向過程 配向膜印刷 rubbingprocess 玻璃對組 注入LC InjectLC Panelassembly AttachSpacers ApplySealant Rubbing CellProcess ApplyPIFilm Seal Homogenousalignment ECB Homeotropicalignment Twistedalignment Twistednematic Hybridalignment 配向過程 配向膜印刷 rubbingprocess 玻璃對組 注入LC 常見液晶配向排列模式 Alignmentfilm 晶體光學 光入射液晶之可能現象和效應 吸收 absorption 和穿透 transmission 折射 refraction 和反射雙折射效應 birefringenceeffect 旋光效應 polarizationrotationeffect 散射 scattering 繞射 diffraction 色散 dispersion PolarizedWave LinearPolarization CircularPolarizationLeft hand Right hand EllipticalPolarization PolarizationofOpticalWaves 相位延遲與偏振狀態之關係 0或 時 電場為線偏極化 偏振方向與x軸之夾角 2且時 電場為圓偏極化 正號為左圓 負號為右圓偏振 若時 電場為橢圓偏極化且主軸在x或y軸上 3 其餘狀況為橢圓偏振 0 2 2 4 3 4 4 3 4 E Ex z t Ey z t 為相位差 0 Timeincreases 線偏振 圓偏振 2 Ex Ey Ey Ex Ey Ex Ex Ey Ex Ey Ey Ex Ey Ex Ex Ey AssumeEox Eoy 圖示相位延遲與偏振狀態之關係 雙折射晶體種類 光在一晶體內傳播時若看到兩種折射率則此晶體為雙折射晶體 例如液晶 光在雙折射晶體內的折射率值跟光的入射角度和偏振有關單光軸晶體nx ny nz雙光軸晶體nx ny nz k 正單光軸晶體之折射率橢圓球 nx ny nz neff no 正單光軸晶體nx ny nz Birefringence n neff no 0 1 顯示器用液晶為正單光軸液晶2 棒狀液晶為正單光軸 光入射時單光軸晶體之雙折射特性 短軸no nx ny 光入射晶體時 晶體之兩個折射率值分別為k垂直平面和折射率橢圓球產生之橢圓截面之長短軸 橢圓截面 長軸 k 負單光軸晶體 negativeuniaxial 之折射率橢圓球 nx ny nz neff no 負單光軸晶體nx ny nz Birefringence n neff no 0 1 負單光軸晶體用於顯示器之光學補償膜2 盤狀液晶 discoticLC 為負單光軸 光入射時單光軸晶體之雙折射特性 短軸no nx ny 長軸 橢圓截面之 光在x方向傳播時折射率為ny和nz光在y方向傳播時折射率為nx和nz光在z方向傳播時只一種折射率nx ny 晶體只在一個方向 z方向 得到單一折射率 即 n 0 所以稱單光軸晶體z軸為光軸 光入射時單光軸晶體之雙折射特性 單光軸晶體nx ny nz 光入射時雙光軸晶體之雙折射特性 雙光軸nx ny nz 雙光軸晶體用於顯示器之光學補償膜 補償視角 nx ny nz 雙光軸晶體折射率橢球 光在晶體之x方向傳播時看到之折射率為ny和nz光在晶體之y方向傳播時看到之折射率為nx和nz光在晶體之z方向傳播時看到之折射率為nx和ny雙光軸晶體有兩方向無論光之偏振為何光只看到一種折射率所以稱之為雙光軸 單光軸晶體的分類 PositiveA plate NegativeA plate PositiveC plate NegativeC plate A plate 光軸平行film材表面 C plate 光軸垂直film材表面稱 A plate C plate用於LCD之補償膜 Colordispersion 色散 ne no Refractiveindex Refractiveindexdependon RefractiveIndexofatypicalnematicLC n n n n constantt 1 2 S densityS degreeoforder Tc 光在雙折射晶體內之偏振變化 PhaseRetardation d 光電場分量1 光電場分量2 光電場在晶體內可分成兩分量 光在各方同向之介質中 各方同向介質內無相位差 線偏振光 相位延遲 0 0 0 0 光在各方同向之介質中向位差值維持一定所以偏振不變 光在雙折射晶體內之偏振變化 雙折射晶體內有 nd 線偏振光 相位延遲 2 4 3 4 5 4 3 2 7 4 2 光在雙折射晶體內隨相位延遲量 的不同而有不同的偏振形狀 4plateand 2plate 2 Crossedwaveplates Slowaxis Slowaxis 4plate 4plate Slowaxis 2plate Slowaxis Slowaxis 4plate 4plate isotropic 光在雙折射晶體內之偏振變化 Specialcase 4波板 nd 4 相位延遲量 2 45o 光軸 2波板 光軸 nd 2 相位延遲量 2 線偏振光之偏振和 4波板光軸夾45o入射 出射光為圓偏振線偏振光之偏振和 2波板光軸夾 入射 出射光之偏振轉2 園偏振 偏光板有吸收軸跟穿透軸 兩軸永遠相互垂直非偏振光通過偏光板變成線偏振光 此線偏振光之偏振平行穿透軸非偏振光通過偏光板後光強度剩原來之一半 Polarizer的作用 LCD基本介紹 LCD架構 Cellgap CFglass Arrayglass SideviewofaLCDpanel TransmissivetypeLCD TNLCD Ex TNMode 外加電壓 改變液晶的排列方式 造成光極化態的改變 再搭配Polarizer或補償膜 完成亮暗顯示的效果 V TCurve NWNB LC為一光閥 控制通過光的強弱 本身不發光 electrode Demo TNoperationprincipal NormallyBlack NB 上下偏光板穿透軸平行 NormallyWhite NW 上下偏光板穿透軸垂直 一般TN均為Normallywhite TN之光電曲線 NW在暗狀態下有self compensationeffect 對比高NB在暗狀態下液晶對光有作用所以有色散現 對比低 等效Dn 0 LC LC OpticsofTNLC CalculateLCDirectorsprofileCalculatetransmittance JonesMatrices3 CalculateviewingangleExtendedJonesMatrices Rubbingdirection與配向之關係 Rubbingdirection LC分子沿著rubbing方向排列 LC 配向膜 TNLCD之製作方法 Rubbingprocess Assembly Rubbingdirectiononpanel TNLCD之製作方法 StructureofaTNLCD Rubbingdirection Rubbingdirection 大部分之TNLCD為左旋設計 TFT CF LCrotationtrace Pretiltangle 90o TransmittanceofaTN LCD TN之穿透率 T 和1 LC之 nd和twistangle 2 入射光偏振和第一層LC之夾角 相關 其中 FromJonesmatrixcalculation TransmittanceofLCD TransmittanceforECBtype 考慮通過低一片偏光板之光強會少一半 ECBtype ECB LC ECB ElectricallyControlledBirefringence analyzer polarizer 45o analyzer polarizer nd 0 E TransmittanceofTN TwistedNematic LCD 0 866 TN 90o namedforNB T 有極大值 且其值和 無關 m 1 m 2 nd在1stminimum or2nd 3rd minimum 時T 和 無關 TN之 nd選在1stminimum附近 m 1 當 0o Mauguinlimit nd 時 旋光效應 NW V 0 AsVincreases i e u 1 90o 0o 1stminimumandpolarizationrotationeffect NW TN之e mode和o mode 入射光偏振和第一層LC分子平行 e mode 入射光偏振和第一層LC分子垂直 o mode 對比的定義 CR 對比高 對比低 NW 黑畫面電壓 白畫面電壓 視角的定義 CR 10 NoGray ScaleInversion ColorDispersion uv 0 004 顯示器座標定義 Normal 0 ViewingAngle ViewingDirection 0 180 270 90 0 180 270 90 Normal 0 ViewingAngle ViewingDirection 上 下 左 右 Iso ContrastContour TN LCD的視角限制 Brightstate Darkstate LCresidualphaseLCopticalanisotropy 視角不足 TN LCD的視角限制 Upper Lower Glasssubstrate SideView LCdirector Glasssubstrate GreyScaleInversion GSIangle GrayScaleInversion GSI 的定義 n 0 GrayScaleInversion GSI 原理 LC 液晶分子 光 GrayScaleInversion GSI 原理 V1 V1 V2 V2 V1V2 V1V2 Garyscaleinversion 灰階反轉 灰階反轉 GrayScaleInversion CIE CommissionInternationaledel Eclairage x y色座標 顏色用座標來表示越靠近邊界顏色越飽和白色座標 GSI Colordispersion 視角的定義 NTSCRatio 色域 的定義 NationalTelevisionSystemCommittee EBU EuropeanBroadcastingUnion NTSCratio 100 NTSC RGB colorgamut Colorsaturationindex HighNTSCratio LowNTSCratio NTSCratio色彩飽和度 EquivalentCircuitofaPixel Capacitor LClayer LCDModuleStructure Module Polarizer BackLight PCB Polarizer DefinitionofResolution 1 pixelincludingR G B3 sub pixel 1 G sub pixel CF頻譜 Backlight頻譜 LCD顯色原理 output x R G B C M Y W RGB混色關係 ApertureRatioofaPixel Effectivearea ApertureRatio Someterminologyofdisplayresolution DataDisplay VideoDisplay PassiveMatrixLCD PM LCD vs ActiveMatrixLCD AM LCD PM LCD TN STN1 無開關元件2 沒有操作的畫素會受其他畫素寫入電壓的影響3 中低解析度 低單價產品 AM LCD